基于STM32单片机的大棚光照系统设计

时间：2024-06-19

谢谦，汤引生，董文豪

（商洛学院电子信息与电气工程学院，陕西商洛 726000）

随着现代农业产业结构化的不断调整，大棚栽种凭借其搭建便捷、造价低、土地利用率高的特点，避免了作物受地域、气候、自然环境等诸多因素的限制，让它在实际中的应用越来越广泛，近年来在花卉幼苗培育、蔬菜瓜果种植等方面发挥着重要作用，为农户带来了较高的效益。随着人们需求的不断加深，近年来慢慢出现了一系列的智能大棚，这无疑是传统大棚种植的改革[1]。针对传统大棚的这些智能化改进，作物不仅增加了产量，提高了经济收益，而且管理上也更加科学、便捷，因此传统意义上的大棚向智能化方向发展势不可挡。

适宜的光照强度对作物的生长至关重要，直接影响作物光合作用的速率和效率。现有的光照系统难以实现将光照均匀分配给作物[2]，而且光照强度自动控制模块比较复杂[3]，在实际中可能难以实现，大部分都停留在理论研究阶段，光照强度自动控制技术的需求显得尤为迫切[4]。

基于不同作物对光照强度的需求不同的基础上，结合国内成熟的传感器技术、无线通信技术等设计一个用于监测并且对光照强度信息实现无线传输的智能调节系统，为智能大棚测控技术提供了一种新的理念方法[5]。

通过光照传感器在监测光照强度的基础上实现对监测信息的无线传输和对大棚光照强度的智能化控制，实时监测并控制光照强度处于光补偿点和光饱和点之间。当光照强于光饱和点时，单片机通过百叶窗控制电路驱动步进电机转动，减小百叶窗角度进行遮光处理，使光强度变弱；光照弱于光补偿点时，单片机通过百叶窗控制电路驱动步进电机转动，增大百叶窗角度，以便于增加光强度。如果百叶窗处于最大位置仍低于光补偿点，单片机通过补光控制电路，打开日光灯进行补光。

通过此系统的实时调节，让植物接触的光照始终处于光补偿点和光饱和点之间，既避免因光照过强对植物光合作用产生光抑制，又避免因光照过弱减缓植物生长周期，以此提高光合作用效率，达到提高植物光合作用速率的目的。

1 控制电路系统整体设计

控制电路系统是钢架大棚光照系统设计的核心，包括：MCU部分，光照传感电路，补光控制部分，百叶窗控制部分，WIFI通信部分，OLED显示部分等。控制电路总系统设计结构框如图1所示。以光照传感器采集光强度信息，通过RS485接口电路传输给单片机，单片机由此按照预设参数进行判断，通过百叶窗控制电路驱动步进电机正转、反转、停止，调节光照，或者通过补光控制电路打开补光开关进行补光。该控制电路系统不仅可以有效控制光照强度，而且根据百叶窗自身的特点可以让光照强度均匀分布，进一步提高光照强度的控制效率[6]。

图1 控制电路系统设计结构框图

1.1 主控电路原理图

主控电路图原理图如图2所示，以单片机STM32F103C8T6为核心，WIFI_RXD和WIFI_TXD用于和WIFI模块通信。PA4-8用于OLED驱动。MCU_RXD_485、MCU_TXD_485用于和光照传感器通信，RX485_RXEN、MCU_RXD_485用于传感器通信过程中数据传输方向控制[7]。LIGHT_CTL用于补光控制电路的开启和关闭控制。PUL+、PUL-、DIR+、DIR-用于百叶窗控制电路驱动。

图2 主控电路图原理图

1.2 Wi-Fi无线传输电路

如图3所示，以ESP8266作为数据传输芯片，以MQTT为数据传输协议，单片机通过串口控制ESP8266与onenet平台建立连接[8]。

图3 Wi-Fi无线传输电路

1.3 补光控制电路

补光控制电路如图4所示，通过单片机LIGHT_CTL端口控制，输出高低电平，控制一个继电器的开启和关闭，实现日光灯供电回路的接通和断开。

图4 补光控制电路

1.4 5 V转3.3 V电源电路

如图5所示，5 V转3.3 V电源电路给单片机、Wi-Fi模块、OLDE显示屏、光照传感器的RS485通信部分、补光电路的继电器等供电。

图5 5 V转3.3 V电源电路

1.5 百叶窗控制电路

如图6所示，百叶窗控制电路由MA860H两相步进电机驱动器和86BYG250H两部分组成。单片机通过 PUL+，PUL-给MA860H发送脉冲信号，用于驱动步进电机的转动。单片机通过DIR+，DIR-的高低电平改变步进电机的旋转方向。步进电机安装在百叶窗上，步进电机的转动，带动百叶窗打开到指定角度。

图6 百叶窗控制电路

1.6 光照传感电路

如图7所示，以SP3485芯片作为RS485数据收发器，实现与JXBS-3001光照传感器的数据通信。其中，SP3485数据收发芯片连接单片机串口和2个IO口，串口用于数据传输，2个IO口用于控制SP3485收发芯片的数据传输方向。图7中总线A、B为RS485总线采用双绞线，理论通信距离可达1 200 m，使得JXBS-3001光照传感器可以安装在任意合适的位置，工程实用性较强。

图7 光照传感电路

2 OneNET设备云平台

OneNET设备云平台是目前开放程度最高，支持协议最多并且免费的物联网开发开放云平台，该平台有着完备的智能硬件开发工具，能将多种终端设备接入网络，不仅能实现数据传输和管理，而且还能实现数据存储等一系列完整的数据交互。OneNET设备云平台的接入协议包括EDP、MQTT、TCP透传，主要是面向下位机通过传输控制协议与OneNET直连的终端[9-12]，OneNET将接收到的数据根据协议解包存储，并通过应用程序接口发送给上位机也就是应用层使用，应用层也可以通过此路径实现对下位机终端的控制。本设计的APP模块是基于传输层TCP协议创建的，OneNET平台数据交互如图8所示。

图8 OneNET平台数据交互图

OneNET设备云平台提供开放的HTTP/HTTPS API接口，可以使用API对设备进行管理，数据查询，设备命令交互等操作，依托API，可以根据自己的个性化需求制定搭建上层应用。因此，上层应用端手机APP可以实现如下功能，显示数据包括显示实时光照强度、步进电机旋转圈数、光照阈值；设定光照阈值，控制光照强度；记录历史数据，包括记录时光照强度变化趋势和光照阈值设定历史数据。如图9所示为手机APP界面示意图。

图9 手机APP界面

2.1 数据传输设计

基于TCP（传输控制协议）实现了STM32单片机与OneNET设备云平台之间的信息交互，API（应用程序接口）则实现了OneNET设备云平台与手机APP之间的数据传输[13]。

OneNET平台可提供全量数据和设备分组数据推送的功能，实现设备上传数据点的实时推送；OneNET平台可提供应用平台，通过API的方式与OneNET平台进行交互，实现调用读取，或是下发命令操作[14]；OneNET平台可支持通过创建触发器的方式，实现当满足触发条件后，实施向应用平台进行消息通知的功能[15]。

2.2 手机APP系统控制设计

手机APP系统控制设计主要实现的控制功能是对光照阈值的控制，具体步骤：通过手机APP对光照阈值进行设定，手机端通过API的方式与OneNET平台进行交互，OneNET平台读取手机端设定的光照阈值后，单片机作出相应的动作，控制步进电机正转、反转或停止转动打开补光电路，实现对光照强度自动控制的目的。

2.3 动力传输系统设计

动力传输系统就是将步进电机的动能通过传送带传输至百叶窗，通过圆盘控制百叶窗转动角度，以此达到光照强度可控的目的。步进电机（电动机）转盘转360°百叶窗上的圆盘转 5°。

由式(8)计算可知步进电机（电动机）转盘转360°百叶窗上的圆盘转5°，即步进电机（电动机）转盘与百叶窗上的圆盘半径之比为1：72。如图10为百叶窗动力传输系统结构示意图。

图10 动力传输系统结构

3 系统测试

系统光照强度测试：当光照强度低于光照阈值时，步进电机正转。当光照强度在光照阈值误差范围内（±5%）时，步进电机暂停转动。当光照强度高于光照阈值并且不在误差范围内时，步进电机反转。图11为近期测试光照强度的历史记录。设置测试光照强度监测范围为0～5 000 lx，通过百分制显示光照强度大小，如表1所示。

图11 光照强度测试结果

表1 系统光照强度

光照阈值为70%，即5 000 lx×70%=3 500 lx，监测到大棚内光照强度为17%，即5 000 lx×17%=850 lx，误差大于5%，且光照强度低于光照阈值，步进电机正转，并且每转一圈监测一次光照强度，步进电机每转一圈百叶窗叶扇转5°，透光面积增大，使得大棚内光照增强，光照强度值从17%逐渐增加。当监测到大棚内光照强度为71%，即3 550 lx，误差为1%，在5%以内，此时大棚内光照强度接近光照阈值，步进电机暂停转动，百叶窗叶扇暂停转动，光照传感器实时监测大棚内光照强度。当监测到大棚内光照强度为81%，即4 050 lx，误差大于5%，且光照强度高于光照阈值，步进电机反转，并且每转一圈监测一次光照强度，步进电机每转一圈百叶窗叶扇反转5°，透光面积减小，使得大棚内光照减弱，光照强度值从81%逐渐减小。